水深對(duì)水庫(kù)滑坡涌浪傳播規(guī)律影響的試驗(yàn)研究

方仕達(dá)，汪 洋，霍志濤，劉繼芝嫻，柯 超，楊超越

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地質(zhì)調(diào)查研究院，湖北 武漢 430074；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.中南地質(zhì)科技創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430205)

滑坡涌浪是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，會(huì)對(duì)庫(kù)區(qū)壩體、航行船只以及沿岸居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)巨大的威脅。在過去的幾十年中，由于三峽水庫(kù)庫(kù)水位的周期性波動(dòng)，滑坡涌浪事件屢見不鮮。1985年6月12日的新灘滑坡、2003年7月14日的千將坪滑坡、2015年6月24日的紅巖子滑坡等引起的涌浪均造成了嚴(yán)重的后果。因此，對(duì)潛在的滑坡涌浪災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估對(duì)三峽庫(kù)區(qū)的應(yīng)急管理工作非常重要。

滑坡涌浪傳播分析的常用方法有經(jīng)驗(yàn)公式法、數(shù)值解析模擬法和模型試驗(yàn)法等。如Noda采用數(shù)值解析模擬法和模型試驗(yàn)法對(duì)滑坡涌浪的產(chǎn)生及其傳播過程進(jìn)行了定量分析；汪洋等以流體力學(xué)相關(guān)理論為基礎(chǔ)，運(yùn)用數(shù)值解析模擬法將滑坡涌浪傳播過程劃分為急劇衰減和緩慢衰減兩個(gè)階段；殷坤龍等運(yùn)用模型試驗(yàn)法對(duì)三峽庫(kù)區(qū)滑坡涌浪的產(chǎn)生及其傳播過程進(jìn)行了研究，得到了滑坡涌浪傳播的經(jīng)驗(yàn)公式；謝海清等運(yùn)用Flow 3D軟件建立數(shù)值模型,并對(duì)狹窄型庫(kù)區(qū)河道滑坡涌浪產(chǎn)生及其傳播過程進(jìn)行了模擬研究；鄧成進(jìn)等運(yùn)用Flow 3D軟件對(duì)某水庫(kù)庫(kù)區(qū)的3變形體滑坡涌浪傳播及其與大壩之間的相互作用過程進(jìn)行了模擬研究。

水庫(kù)滑坡涌浪的產(chǎn)生與傳播受水深的影響較大。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究水深對(duì)水庫(kù)滑坡涌浪的影響時(shí)，多將滑坡涌浪波高或波幅與水深的比值作為一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，并研究該無(wú)量綱參數(shù)與其他因素的關(guān)系。如Fritz等研究了滑坡涌浪波幅與水深的比值與弗勞德數(shù)和滑體相對(duì)厚度之間的關(guān)系；Heller等將弗勞德數(shù)、滑體相對(duì)厚度和相對(duì)質(zhì)量與滑坡傾角之間的相互組合關(guān)系定義為沖擊參數(shù)，并研究了滑坡涌浪波高或波幅與水深的比值與沖擊參數(shù)之間的關(guān)系；Panizzo等研究了滑坡涌浪波高與水深的比值與水下運(yùn)動(dòng)時(shí)間之間的關(guān)系；王育林等研究了滑坡涌浪波高與水深的比值與弗勞德數(shù)、入江體方量和入江處斷面平均流速之間的關(guān)系；Huang等研究了滑坡涌浪波高與水深的比值與弗勞德數(shù)、崩滑體寬度、崩滑體長(zhǎng)度和崩滑體厚度之間的關(guān)系;陳里研究了滑坡涌浪波高與滑坡體寬度的比值和水深與滑坡體寬度的比值之間的關(guān)系。

也有少部分學(xué)者將水深作為單因素控制變量，研究其與滑坡涌浪高度和傳播浪浪高之間的關(guān)系。如王世昌等運(yùn)用FAST軟件對(duì)龔家方4號(hào)斜坡在175 m、156 m和145 m庫(kù)水位條件下滑坡涌浪的傳播和衰減規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明隨著庫(kù)水位的下降，滑坡產(chǎn)生的最大涌浪值和在對(duì)岸的爬高值都有增長(zhǎng)的趨勢(shì)；李榮輝等基于水槽概化試驗(yàn)，得出滑坡涌浪高度隨著水深的增加而減小的變化規(guī)律；黃筱云等、劉珺婧通過Flow 3D數(shù)值模擬試驗(yàn)，得出最大滑坡涌浪高度隨水深增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水深的研究主要是將其作為一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，而對(duì)水深與滑坡涌浪傳播規(guī)律之間關(guān)系的研究較少，不能很好地評(píng)估不同水深時(shí)滑坡涌浪傳播產(chǎn)生的危害。為此，本文采用概化物理模型試驗(yàn)，對(duì)8種不同水深條件下滑坡涌浪的傳播規(guī)律進(jìn)行研究，以為三峽水庫(kù)滑坡涌浪傳播規(guī)律及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究提供數(shù)據(jù)支撐和方法借鑒。

1 滑坡涌浪物理模型試驗(yàn)

1.1 河道模型

本試驗(yàn)是在中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局宜昌基地水波動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室三維水池中進(jìn)行的，水池尺寸為25 m(長(zhǎng))×5 m(寬)×1.2 m(高)，水池內(nèi)部布有河道岸坡、滑道及消波裝置(見圖1)。河道模型以三峽庫(kù)區(qū)云陽(yáng)縣城下游區(qū)域作為研究背景，通過對(duì)河床底部寬度及岸坡坡度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、概化后，按照比例尺1∶400確定。河道模型斷面呈梯形，設(shè)置模型底部寬度為0.75 m，兩岸岸坡坡度為20°；滑道是由滑軌和滑軌上的小滑車組成，通過調(diào)節(jié)滑坡在滑道上的位置來(lái)控制不同的試驗(yàn)速度值；在滑體入水處附近設(shè)置自主設(shè)計(jì)的消波裝置，用來(lái)減少波浪反射對(duì)滑坡涌浪傳播的影響。

圖1 河道模型示意圖Fig.1 River model

1.2 試驗(yàn)方案

本次選取滑塊入水處水深

h

為控制變量，設(shè)置21 cm、23 cm、25 cm、27 cm、29 cm、31 cm、33 cm、35 cm 8種水深進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)控制滑塊的入水速度

v

為2.0 m/s且保持不變,滑塊試樣選用規(guī)模為30 cm×20 cm×10 cm剛性混凝土塊體。試驗(yàn)工況總計(jì)8組。

試驗(yàn)前對(duì)所有波高儀進(jìn)行率定，以確保試驗(yàn)精度達(dá)到要求。每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，所得結(jié)果取平均值以避免試驗(yàn)的偶然性。

1.3 試驗(yàn)量測(cè)系統(tǒng)

本試驗(yàn)采用波高儀進(jìn)行滑坡涌浪波幅的測(cè)量，其測(cè)量范圍為0～0.6 m，采集頻率為200 Hz，測(cè)量精度為0.03 mm。整個(gè)河道共布置了9支波高儀(見圖2)，以滑塊入水點(diǎn)河道中心作為原點(diǎn)(0，0)，其中B0號(hào)波高儀位于滑塊入水口

x

=0 m處，用于測(cè)量滑塊入水后首浪的波幅，B1～B8號(hào)波高儀分別位于河道中心線

x

分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m和4.0 m處，用于測(cè)量傳播浪的波幅。波高儀所測(cè)數(shù)據(jù)通過電腦自動(dòng)采集存儲(chǔ)，后續(xù)通過Origin軟件分析滑坡涌浪波形和傳播浪波幅。

圖2 波高儀平面布置圖(俯視圖)Fig.2 Layout plan of wave height meter (Top view)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 滑坡涌浪最大波幅分析

滑塊入水后，在B0號(hào)波高儀(

x

=0 m)處產(chǎn)生涌浪最大波幅，涌浪最大波幅參數(shù)含義見圖3，滑坡涌浪最大波幅隨水深的變化曲線見圖4。

圖3 滑坡涌浪特性參數(shù)定義圖(據(jù)Heller[11]修改)Fig.3 Definition diagram of surge characteristic parameters (adapted from Heller[11])注：aM為滑坡涌浪最大波幅(cm);HM為滑坡涌浪最大波高(cm);h為水深(cm);H為滑坡距水底高度(cm);a為滑坡沖擊角(°)；S為滑塊厚度(cm);l為滑塊長(zhǎng)度(cm)。

圖4 滑坡涌浪最大波幅隨水深的變化曲線Fig.4 Change curve of max wave amplitude of the landslide-generated impulse waves with water depth

由圖4可見，當(dāng)水深由21 cm依次增加至29 cm時(shí)，滑坡涌浪的最大波幅值依次增大，分別為11.0 cm、13.3 cm、14.8 cm、15.0 cm和16.4 cm，表明當(dāng)水深較淺時(shí)，水深越大，滑坡涌浪最大波幅也越大，這是因?yàn)榛瑝K入水后產(chǎn)生的能量一部分傳遞給水體形成涌浪，另一部分則在滑塊與河床底部的撞擊中被消耗，這種情況下，水深越大,撞擊過程中被消耗的能量越小，傳遞給水體的能量越多，涌浪波幅越大；當(dāng)水深由29 cm依次增加至35 cm時(shí)，滑坡涌浪最大波幅值依次減小，分別為16.4 cm、16.0 cm、12.7 cm和12.2 cm，表明當(dāng)水深較深時(shí)，水深越大，滑坡涌浪最大波幅越小，這是因?yàn)楫?dāng)水深大于29 cm時(shí)，滑塊與河床底部撞擊被消耗的能量很小，絕大部分能量傳遞給水體，當(dāng)水深越大時(shí)，滑塊攪動(dòng)的水體范圍越大，涌浪波幅越小。整體而言，隨著水深的增加，滑塊入水后產(chǎn)生的滑坡涌浪最大波幅呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。

2.2 滑坡傳播浪衰減分析

不同水深時(shí)滑坡涌浪波幅的衰減圖,見圖5。

圖5 不同水深時(shí)滑坡涌浪波幅的衰減圖Fig.5 Wave amplitude evolution of the landslide-generated impulse waves at different water depth

由圖5可見，在近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)(距離滑坡源0～1.5 m)范圍內(nèi)滑坡涌浪波幅衰減的速率較快，在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)(距離滑坡源1.5～4.0 m)范圍內(nèi)滑坡涌浪波幅衰減的速率較慢。為了定量研究不同水深時(shí)滑坡涌浪波幅衰減的快慢程度，將波幅衰減率定義為起點(diǎn)波幅與任意點(diǎn)波幅之差與起點(diǎn)波幅的比值，其中近場(chǎng)區(qū)域起點(diǎn)為B0號(hào)波高儀記錄的波幅，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域起點(diǎn)為B3號(hào)波高儀記錄的波幅。不同水深時(shí)滑坡涌浪波幅的衰減率，見表1和表2。

表1 近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)不同水深時(shí)滑坡涌浪波幅的衰減率Table 1 Wave decay rates of the landslide-generated impulse waves at different water depth in the near field area

表2 遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)不同水深時(shí)涌浪波幅的衰減率Table 2 Wave decay rates of the landslide-generated impulse waves at different water depth in the far field area

由表1可知，滑坡涌浪在近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)傳播時(shí)，隨著水深的增加，滑坡涌浪波幅的衰減率呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。例如：在河道中心

x

=1.5 m(B3號(hào)波高儀)處，當(dāng)水深由21 cm依次增加至29 cm時(shí)，滑坡涌浪波幅的衰減率逐漸增大，其值分別為87.7%、89.3%、89.8%、89.9%和90.8%；當(dāng)水深由29 cm依次增加至35 cm時(shí)，滑坡涌浪波幅的衰減率逐漸減小，其值分別為90.8%、90.7%、87.6%和87.6%?；掠坷嗽诮鼒?chǎng)區(qū)域內(nèi)傳播時(shí)，其波幅的衰減率主要與近場(chǎng)區(qū)域起點(diǎn)B0處滑坡涌浪的波幅有關(guān)，B0處滑坡涌浪的波幅越大，滑坡涌浪波幅衰減得越快。由表2可知，滑坡涌浪在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)傳播時(shí)，隨著水深的增加，滑坡涌浪波幅的衰減率逐漸增大。例如：在河道中心

x

=4.0 m(B8號(hào)波高儀)處，當(dāng)水深由21 cm依次增加至35 cm時(shí)，滑坡涌浪波幅的衰減率逐漸增大，其值分別為37.1%、37.1%、40.0%、55.3%、56.0%、61.1%、65.6%和66.8%。滑波涌浪在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，其波幅衰減率主要與水深有關(guān)，水深越大，水面寬度越大，單位長(zhǎng)度范圍內(nèi)滑坡涌浪傳播的范圍越廣，其波幅衰減率越大。

2.3 滑坡涌浪物理模型試驗(yàn)的工程意義

不同水深條件下滑坡涌浪的傳播規(guī)律是不一致的，目前國(guó)內(nèi)學(xué)者尚未對(duì)不同水深條件下滑坡涌浪的傳播規(guī)律進(jìn)行較為詳細(xì)的分析，因此本文旨在通過物理模型試驗(yàn)解決這一問題，為后續(xù)三峽庫(kù)區(qū)滑坡涌浪的防治提供參考。

上述試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著水深的增加，滑塊入水后產(chǎn)生的涌浪最大波幅呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。這與殷坤龍等提出的三峽庫(kù)區(qū)滑坡最大首浪高度計(jì)算公式中展現(xiàn)的規(guī)律不太一致(最大首浪高度隨水深的增加而增大)，因此在后續(xù)研究中需要找出影響滑坡涌浪最大波幅的水深臨界值，并對(duì)水深臨界值以上及水深臨界值以下兩種情況分別進(jìn)行滑坡涌浪高度計(jì)算公式的回歸預(yù)測(cè)與分析。

而在滑坡涌浪傳播方面，在近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，滑坡涌浪波幅的衰減率主要與起點(diǎn)處滑坡涌浪的最大波幅有關(guān)，而起點(diǎn)處滑坡涌浪的最大波幅與水深有關(guān)，因此對(duì)近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)滑坡涌浪傳播規(guī)律的研究同樣需要找出水深臨界值，以便于分別對(duì)其進(jìn)行回歸預(yù)測(cè)與分析。

3 結(jié)論與建議

本文使用概化物理模型試驗(yàn)研究了水深對(duì)滑坡涌浪產(chǎn)生與傳播的影響，得到的主要結(jié)論如下：

(1) 隨著水深的增加，滑塊入水后產(chǎn)生的涌浪最大波幅呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，在水深為29 cm時(shí)，滑坡涌浪波幅達(dá)到最大值，為16.4 cm。

(2) 當(dāng)滑塊入水速度及其他因素不變的情況下，滑坡涌浪在近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)傳播時(shí)，滑坡涌浪波幅的衰減率隨著水深的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律；在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)傳播時(shí)，滑坡涌浪波幅的衰減率隨著水深的增加而增大。

(3) 滑坡涌浪的產(chǎn)生及其傳播規(guī)律受水深的影響較為復(fù)雜，在后續(xù)研究中可考慮找出影響滑坡涌浪最大波幅的水深臨界值，并對(duì)水深臨界值以上及水深臨界值以下兩種情況分別進(jìn)行滑坡涌浪高度計(jì)算公式的回歸預(yù)測(cè)與分析。